Intelligente und multifunktionelle Infrastruktursysteme für eine zukunftsfähige Wasserversorgung und Abwasserentsorgung

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1 Intelligente und multifunktionelle Infrastruktursysteme für eine zukunftsfähige Wasserversorgung und Abwasserentsorgung

2 Intelligente und multifunktionelle Infrastruktursysteme für eine zukunftsfähige Wasserversorgung und Abwasserentsorgung Vorstellung der Verbundprojekte: Ziele, Projektpartner und geplantes Vorgehen

3 Inhalt Inhaltsverzeichnis 04 Die BMBF-Fördermaßnahme INIS INIS-Verbundprojekte Übersicht Integrierte Konzepte für Wasser, Abwasser und Energie KREIS Versorgung durch Entsorgung: Kopplung von regenerativer Energiegewinnung mit innovativer Stadtent wässerung NaCoSi Nachhaltigkeitscontrolling siedlungswasserwirtschaftlicher Systeme Risikoprofil und Steuerungsinst rumente networks 3 Potenzialabschätzung und Umsetzung wasserwirtschaftlicher Systemlösungen auf Quartiersebene in Frankfurt am Main und Hamburg SinOptiKom Sektorübergreifende Prozessoptimierung in der Transformation kommunaler Infrastrukturen im ländlichen Raum TWIST++ Transitionswege Wasserinfrastruktursysteme: Anpassung an neue Herausforderungen im städtischen und ländlichen Raum Konzepte und Systeme zur Sicherung der Wasserversorgung EDIT Inline-Monitoring wasserbürtiger Pathogene: Entwicklung und Implementierung eines Anreicherungsund Detektionssystems für das Inline-Monitoring von wasserbürtigen Pathogenen in Trink- und Rohwasser NAWAK Nachhaltige Anpassungsstrategien: Entwicklung nachhaltiger Anpassungsstrategien für die Infrastruk turen der Wasserwirtschaft unter den Bedingungen des klimatischen und demografischen Wandels Anpassungs- und Optimierungsstrategien für die Stadtentwässerung KURAS Konzepte für urbane Regenwasserbewirtschaftung und Abwassersysteme SAMUWA Die Stadt als hydrologisches System im Wandel: Schritte zu einem anpassungsfähigen Management des urbanen Wasserhaushalts SYNOPSE Synthetische Niederschlagszeitreihen für die optimale Planung und den Betrieb von Stadtentwässe rungssystemen Verfahren für eine nachhaltige Abwasseraufbereitung nida200 Innovative Abwasserreinigung: Nachhaltiges, innovatives und dezentrales Abwasserreinigungssystem inklusive der Mitbehandlung des Biomülls auf Basis alternativer Sanitärkonzepte NoNitriNox Planung und Betrieb von ressourcen- und energieeffzienten Kläranlagen mit gezielter Vermeidung umweltgefährdender Emissionen ROOF WATER-FARM Sektorübergreifende Wasserressourcennutzung durch gebäudeintegrierte Farmwirtschaft Kontaktdaten der Verbundpartner Impressum 03

4 Die BMBF-Fördermaßnahme INIS Die BMBF-Fördermaßnahme INIS Forschung für die Wasserinfrastrukturen von morgen FORSCHUNG FÜR DIE WASSERINFRASTRUKTUREN VON MORGEN In Deutschland stehen die Infrastruktursysteme der Wasserversorgung und Abwasserentsorgung vor erheblichen Herausforderungen. Die Folgen des Klimawandels, demografische Veränderungen und steigende Energiepreise erfordern eine innovative Anpassung der zum Teil veralteten Systeme und die Entwicklung von neuen und flexibleren Lösungen. Hier muss die Wasserforschung ansetzen, um die Einhaltung vorhandener Qualitätsstandards auch in Zukunft zu sichern. Vor diesem Hintergrund hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Fördermaßnahme Intelligente und multifunktionelle Infrastruktursysteme für eine zukunftsfähige Wasserversorgung und Abwasserentsorgung (INIS) aufgelegt und mit einem Fördervolumen von 33 Mio. ausgestattet. Verankert ist die Fördermaßnahme im Förderschwerpunkt Nachhaltiges Wassermanagement (NaWaM), der Bestandteil des BMBF-Rahmenprogramms Forschung für nachhaltige Entwicklungen (FONA) ist. Dreizehn Verbundprojekte erforschen zwischen 2013 und 2016 neue Ansätze in der Wasserwirtschaft mit dem Ziel, innovative und umsetzbare Lösungen zu entwickeln, mit denen Wasserversorgung und Abwasserentsorgung an sich verändernde Rahmenbedingungen in Deutschland angepasst werden können. In der vorliegenden Broschüre werden die Forschungsprojekte auf jeweils zwei Seiten übersichtlich vorgestellt. Ziel ist es, einen Überblick über die Breite und die Vielfalt des abgedeckten Themenspektrums zu vermitteln und eine inhaltliche Vernetzung der an den Forschungsprojekten Beteiligten zu unterstützen. THEMEN Für eine Orientierung über die thematische Verortung der Projekte bietet sich eine Einordnung in thematische Cluster an. Auf Basis der einzelnen Arbeitsprogramme wurden die folgenden vier Cluster identifiziert:» Integrierte Konzepte für Wasser, Abwasser und Energie» Konzepte und Systeme zur Sicherung der Wasserversorgung» Anpassungs- und Optimierungsstrategien für die Stadtentwässerung» Verfahren für eine nachhaltige Abwasseraufbereitung Integrierte Konzepte für Wasser, Abwasser und Energie Im Fokus einiger der Verbundprojekte steht die Erarbeitung integrierter Konzepte für Wasser-, Abwasser- und Energienutzung. Diese Projekte befassen sich bei der Entwicklung ihrer Konzepte mit den Rahmenbedingungen des Wandels städtischer Wasserinfrastrukturen und suchen Wege zur Umsetzung integrierter Systemlösungen. Sie analysieren Transformationsprozesse und lenken den Blick auf die Komplexität der Entscheidungs- und Planungsprozesse in städtischen und ländlichen Räumen. Neben der Analyse der Umweltauswirkungen verschiedener Optionen und der Durchführung von Kosten- und Nutzenanalysen stehen Fragen nach der Nutzerakzeptanz, den rechtlich-institutionellen Rahmenbedingungen und den notwendigen Planungsprozessen und Managementinstrumenten auf der Forschungsagenda. In einigen Projekten werden Simulations- und Entscheidungswerkzeuge entwickelt, die die verschiedenen Zielgruppen dabei unterstützen sollen, ihre Gestaltungsmöglichkeiten adäquat zu nutzen. Große Bedeutung kommt auch der exemplarischen baulichen Umsetzung von integrierten Lösungen einschließlich der Weiterentwicklung und Optimierung von Infrastruktursystemen, Technologien und Verfahren zu, die jeweils die Besonderheiten unterschiedlicher Siedlungsräume berücksichtigen. Konzepte und Systeme zur Sicherung der Wasserversorgung Einen zweiten Themencluster bilden Forschungsprojekte, die sich auf unterschiedliche Weise mit der Sicherung der Wasser versorgung befassen. Eine spezielle Herausforderung besteht darin, dass der Trinkwasserverbrauch im Mittel zurückgeht, wäh rend der Klimawandel dazu führt, dass die Spitzenlasten für das Trinkwassernetz teils sogar steigen. In der Folge verändern sich die Wasserverfügbarkeit und die Wasserqualität z. B. durch das Eindringen von Salzwasser in trinkwasserrelevante Grundwas serleiter. Gleichzeitig kann es beispielsweise durch längere Ver weilzeiten des Trinkwassers im Netz zu hygienischen Beeinträch tigungen kommen. Zum einen setzen sich die Projekte daher mit Strategien zur langfristigen Anpassung der Trinkwasserversorgung an neue He rausforderungen auseinander. Zum anderen beschäftigen sich die Projekte mit der Entwicklung von zuverlässigen stationär und mobil einsetzbaren Schnelldetektions- und -warnsystemen für das Online-Monitoring von mikrobiologischen Wasserverunrei nigungen im Roh- und Trinkwasser. 04

5 Integrierte Konzepte Wasserversorgung KREIS NaCoSi networks 3 SinOptiKom TWIST++ EDIT NAWAK minimieren. Über die technische Ebene hinausgehend setzen sich diese Projekte mit Begleitaspekten der Realisierung auseinander. Die in der Übersicht dargestellte Verortung der Forschungsprojekte in den beschriebenen thematischen Clustern erfolgte gemäß den Schwerpunkten der Forschungsaktivitäten. Dabei ist zu beachten, dass die jeweiligen Arbeitsprogramme in vielen Projekten über die Themen eines einzigen Clusters hinausgehen, so dass die Zuordnung als eine erste inhaltliche Orientierung zu interpretieren ist. Stadtentwässerung Abwasseraufbereitung KURAS SAMUWA SYNOPSE nida200 NoNitriNox ROOF WATER-FARM Übersicht: INIS-Verbundprojekte nach thematischen Clustern Anpassungs- und Optimierungsstrategien für die Stadtentwäs serung Ein anderer Teil der Forschungsprojekte konzentriert sich auf die Anpassung und Optimierung von Stadtentwässerungssystemen. Die Schwerpunkte in diesen Projekten liegen in der Entwicklung und Erprobung nachhaltiger Konzepte für die Regenwasserbe wirtschaftung einerseits und für den Betrieb, Ausbau oder Um bau von Stadtentwässerungssystemen andererseits. In den Projekten werden zudem notwendige Abstimmun gen zwischen planerischen Instrumenten und organisatorischen Prozessen untersucht, um z. B. die Stadtentwässerung mit der Stadtentwicklungs- und Freiraumplanung stärker verknüpfen zu können. Ein weiterer Fokus liegt in der Verbesserung der Daten grundlagen für die Planung und Steuerung von Kanalnetzen. PRAXIS, PRAXIS, PRAXIS Kennzeichnend für alle Forschungsprojekte der Fördermaßnahme INIS sind die interdisziplinäre Vorgehensweise sowie das enge Zusammenwirken von Wissenschaft und Praxis. Etwa die Hälfte der insgesamt 80 geförderten Institutionen sind Kommunen, Unternehmen, Zweckverbände und sonstige Praxisakteure. Weitere Praxispartner sind als assoziierte Partner oder über Unteraufträge eng in die Verbünde eingebunden. Eine Übersicht über die gut 40 Modellgebiete zeigt die Darstellung auf der folgenden Seite. Aus der Darstellung wird deutlich, dass die Modellgebiete eine Vielzahl unterschiedlicher Regionen in Deutschland abdecken. Der Modellcharakter der Forschungsprojekte und die Erprobung in Kommunen und Regionen mit unterschiedlichen lokalen Randbedingungen unterstützen und stärken die Übertragbarkeit der Ergebnisse. Verfahren für eine nachhaltige Abwasseraufbereitung Nachhaltige Verfahren der Abwasseraufbereitung stehen im Zentrum einer weiteren Gruppe von Forschungsprojekten. Ei ner der Forschungsschwerpunkte liegt dabei auf dezentralen und gebäudeintegrierten Technologien zur Abwasseraufberei tung. Diese beinhalten Ansätze zur Nährstoffrückgewinnung für Düngezwecke und zur Wiederverwendung von Abwasser teilströmen für die Bewässerung. Hygienefragen sind hier von großem Interesse. Erarbeitet werden zudem Möglichkeiten zur Betriebsoptimierung zentraler Kläranlagen, die gleichzeitig den Energiebedarf reduzieren, die Nitratelimination maximieren und klimaschädliche Emissionen von z. B. Lachgas, Nitrit oder Methan 05

6 Die BMBF-Fördermaßnahme INIS Kiel Schwerin Hamburg Oldenburg Bremen Berlin Hannover Münster Braunschweig Magdeburg Potsdam Düsseldorf Köln Wuppertal Kassel Erfurt Leipzig Dresden Koblenz Wiesbaden Trier Mainz Frankfurt am Main Würzburg BMBF-Fördermaßnahme INIS: Modellgebiete der Verbundprojekte EDIT Saarbrücken Nürnberg KREIS KURAS NaCoSi Stuttgart NAWAK networks 3 Freiburg BMBF-Fördermaßnahme INIS Übersicht über die Modellgebiete München nida200 NoNitriNox Roof Water-Farm SAMUWA SinOptiKom SYNOPSE TW IST++ 06

7 VERNETZUNG UND TRANSFER Die Forschungsprojekte der BMBF-Fördermaßnahme INIS wer den von einem Vernetzungs- und Transfervorhaben (INISnet) begleitet. Seine Aufgaben bestehen in der öffentlichen Präsen tation der Fördermaßnahme als Ganzer, der Stärkung der Zu sammenarbeit der Forschungsprojekte untereinander sowie der Unterstützung des Transfers der Forschungsergebnisse in For schung und Praxis. INISnet wird von zentralen Multiplikatoren der Städte und Was serwirtschaft, dem Deutschen Institut für Urbanistik (Difu), der Forschungsstelle des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfa ches (DVGW) an der Technischen Universität Hamburg-Harburg ( TUHH) und der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.v. (DWA), gemeinsam durchgeführt. Die vorliegende Broschüre der BMBF-Fördermaßnahme INIS gibt einen ersten Überblick über die geplanten Forschungsarbeiten. Weitere Informationen zum BMBF-Förderschwerpunkt NaWaM, zur Fördermaßnahme und zu den einzelnen Forschungsprojek ten können der Internetpräsenz der Fördermaßnahme entnom men werden. KONTAKT Difu Zimmerstraße Berlin Jens Libbe Tel.: libbe@difu.de Dr. Stephanie Bock Tel.: bock@difu.de Dr. Darla Nickel Tel.: nickel@difu.de DVGW-Forschungsstelle TUHH Technische Universität Hamburg-Harburg Schwarzenbergstraße 95 E Hamburg Margarethe Langer Tel.: margarethe.langer@tuhh.de DWA Theodor-Heuss-Allee Hennef Dr.-Ing. Stefanie Wolter Tel.: wolter@dwa.de 07

8 INIS-Verbundprojekte 08

9 INIS-Verbundprojekte Integrierte Konzepte KREIS NaCoSi networks 3 SinOptiKom TWIST++ Wasserversorgung EDIT NAWAK Stadtentwässerung KURAS SAMUWA SYNOPSE Abwasseraufbereitung nida200 NoNitriNox ROOF WATER-FARM 09

10 INIS-Verbundprojekte KREIS Versorgung durch Entsorgung Kopplung von regenerativer Energiegewinnung mit innovativer Stadtentwässerung HINTERGRUND Bei der Realisierung von Siedlungen in Ballungsräumen werden Themen wie die Energiewende, zunehmende ökonomische Zwänge, die abnehmende Verfügbarkeit von Siedlungsflächen und die Forderung nach effzienter Ressourcennutzung immer stärker an Bedeutung gewinnen. Wenn es nun gelingt, bei der Planung umzudenken, angepasste oder auch neue technische Lösungen zu verwirklichen, die den Ansprüchen der Menschen genügen, optimale Betriebsgrößen zu finden und stärker betriebswirtschaftliche Elemente bei der Finanzierung und Entgeltgestaltung einzuführen, dann kann ein wesentlicher Beitrag für eine nachhaltige Stadtentwicklung geleistet werden. Angesichts dieser Herausforderungen bietet das neuartige Konzept des HAMBURG WATER Cycle (HWC) von HAMBURG WASSER einen innovativen, ganzheitlichen Ansatz, der Entwässerung mit Energiegewinnung im urbanen Raum verknüpft. Die Umsetzung des HWC im Stadtquartier Jenfelder Au in Hamburg- Wandsbek wird vom Verbundforschungsvorhaben KREIS wissenschaftlich begleitet. Abb. 1: Umsetzung des HAMBURG WATER Cycle im Stadtquartier Jenfelder Au ZIELE Das Verbundvorhaben KREIS zielt darauf ab, in einem transdisziplinären Forschungsverbund ganzheitliche, innovative, modellhafte und zukunftsweisende Lösungen zu finden, um auf intelligente Weise die städtischen Entsorgungsaufgaben für Abwasser und Abfall mit den Versorgungsaufgaben im Energiebereich sowie mit stadtplanerischen Aspekten zu vereinen. Die Forschungsergebnisse aus den vorbereitenden Untersuchungen und Versuchen im Labor- bis Pilotmaßstab dienen als Grundlage zur großtechnischen Umsetzung und Demonstration des HWC in einem Bauvorhaben am Standort Hamburg Jenfeld. Die ehemalige Lettow-Vorbeck-Kaserne befindet sich in der Konversion hin zu einem neuen Wohngebiet Jenfelder Au. Neben modernen städtebaulichen Anforderungen werden die Neubauten des Quartiers an den HWC angeschlossen. Dies bedeutet eine flächendeckende Trennung und zielgerichtete Verwertung der Abwasserströme Grauwasser und Schwarzwasser. Grauwasser wird vor Ort aufbereitet und genutzt. Schwarzwasser und organische Co-Substrate werden anaerob behandelt und das entstehende Biogas wird vor Ort verstromt unter Nutzung der Abwärme für die Heizung der Wohngebäude. Das Forschungsprojekt KREIS ist im Gegensatz zu den übrigen INIS-Verbundprojekten bereits im November 2011 gestartet. Der Grund dafür ist die Kopplung des Forschungsprojektes an das Bauvorhaben. Die dreijährige Planungsphase mit dem Entwurf der technischen Komponenten wird im Herbst 2014 abgeschlossen sein. Ende 2014 soll sich ein Folgeprojekt anschließen, um die Betriebsphase des HWC wissenschaftlich zu begleiten. In der aktuellen Planungsphase werden von KREIS neben (verfahrens-)technischen Möglichkeiten verschiedene übergeordnete Aspekte des ganzheitlichen Entwässerungs- und Energiekonzeptes umfassend untersucht. Anhand quantitativer und qualitativer Umweltindikatoren wird über eine Ökobilanz ermittelt, wie nachhaltig das kombinierte Energieversorgungs- und Entwässerungskonzept ist. Im selben Zuge wird auch die Wirtschaftlichkeit und das Marktpotenzial des HWC untersucht, aus dem sich eine künftige Vermarktung ableiten lässt. In der Betriebsphase wird über die Befragung der beteiligten Haushalte die Akzeptanz solch neuer Infrastrukturen erfasst. Die Regelungstiefe des gegebenen rechtlich-institutionellen Rahmens hinsichtlich der Beantwortung spezifischer Fragestellungen neuer Infrastruktursysteme, wie z. B. die des Services und der Reparatur von Unterdrucktoiletten, wird ebenfalls untersucht. Als ein Ergebnis von KREIS werden Hinweise für Betreibermodelle entstehen, die die Übertragung der in der Jenfelder Au gewonnenen Erkenntnisse und Erfahrungen auf andere Regionen erleichtern sollen. 10

11 KREIS Integrierte Konzepte Abb. 2: Prinzip des HAMBURG WATER Cycle : Trennung häuslicher Abwässer zur energetischen Nutzung IMPLEMENTIERUNG Die Umsetzung des HWC findet erstmals im Quartiersmaßstab im städtischen Raum durch HAMBURG WASSER statt. Modellgebiet Jenfelder Au, Hamburg-Wandsbek Ehemaliges Gelände der Lettow-Vorbeck-Kaserne mit einer Fläche von 0,35 km² mit z. T. denkmalgeschützten Bestandsgebäuden. Geplant sind ca. 770 Wohneinheiten für rund Bewohner. 140 Einheiten werden in Bestandsgebäuden realisiert; rund 610 Neubau-Wohneinheiten werden an das Entwässerungs- und Energieversorgungskonzept HWC angeschlossen (Einzel-, Doppel-, Reihenhäuser und Geschossbauweise). Eingebettet in das Wohnquartier wird eine begleitende soziale, gewerbliche und kulturelle Infrastruktur. PROJEKTPARTNER An dem Projekt KREIS beteiligen sich zehn Partner aus Wissenschaft, Forschung und Praxis. Assoziierte Partner sind u. a. die Stadt Hamburg, das Bezirksamt Wandsbek und die Stadtteil-Konferenz Jenfeld. 6 Forschungspartner» Bauhaus-Universität Weimar (BUW ) (Projektkoordination)» Hochschule Ostwestfalen-Lippe (HSOWL)» ISOE Institut für sozial-ökologische Forschung (ISOE)» Öko-Institut e.v. (OEKO)» Solar- und Wärmetechnik Stuttgart (SWT )» TU Hamburg-Harburg (TUHH) 4 Praxispartner» HAMBURG WASSER / Hamburger Stadtentwässerung (HSE) (Projektleitung, bauliche Umsetzung/Betrieb)» Buhck Umweltservices GmbH & Co. KG (Buhck)» Consulaqua Hamburg GmbH (CAH)» Vakuum Sanitärtechnik GmbH & Co. KG ( VacuSaTec ) ARBEITSSCHRITTE Die Aufgaben, jeweiligen Koordinatoren und beteiligten Partner ordnen sich wie folgt zu:» Energietechnik (Biogas, Wärme, Energie, Erzeugung, Nutzung, Vernetzung): SWT mit Buhck, CAH und TUHH» Entwässerungstechnik (Unterdrucksystem): HSE mit HSOWL und VacuSaTec» Behandlung & Reststoffnutzung (Gärreste, Grau-, Schwarzwasser, Behandlung, Verwendung, Bemessung): BUW mit HSE und TUHH» Ökologie & Nachhaltigkeit (Bilanzierung ökologischer, ökonomischer, sozialer Auswirkungen): ISOE mit OEKO und TUHH» Ökonomie & Übertragbarkeit (Umbaukonzepte, Dezentralität, Exportchancen): HSOWL mit BUW und HSE» Sozio-technische Analyse & Nutzerverhalten (Akzeptanz, Kommunikationsdesign, institutionelle Adaption): ISOE mit HSE KONTAKT Bauhaus-Universität Weimar Professur Siedlungswasserwirtschaft Coudraystraße Weimar Prof. Dr.-Ing. J. Londong Tel.: joerg.londong@uni-weimar.de Projektlaufzeit: 11/ /

12 INIS-Verbundprojekte NaCoSi Nachhaltigkeitscontrolling siedlungswasserwirt schaftlicher Systeme Risikoprofil und Steuerungsinstrumente HINTERGRUND Als Teil der kommunalen Daseinsvorsorge unterliegt auch die Siedlungswasserwirtschaft den Ansprüchen, nachhaltig und zukunftsfähig zu sein. Das Konzept der Nachhaltigen Entwicklung wird jedoch, obwohl seit mehr als zwei Jahrzehnten als Leitwert im politischen und wissenschaftlichen Raum prägend, immer noch als unscharf wahrgenommen. Dies zeigt sich insbesondere bei dessen Operationalisierung. Das Management siedlungswasserwirtschaftlicher Systeme ist bisher nicht darauf ausgelegt, die mit dem Betrieb von Netzen und Anlagen verbundenen Nachhaltigkeitsrisiken zu erkennen bzw. in bewusster Weise zu minimieren. Dabei ist zu beachten, dass es für die Beurteilung von Nachhaltigkeit nicht ausreichend ist, nur die aktuelle Leistungsfähigkeit zu betrachten. Vielmehr müssen dazu auch die Dynamik und die Heterogenität sich verändernder Rahmenbedingungen sowie die damit verbundenen Auswirkungen auf die Infrastruktur berücksichtigt werden. Mit einer solchen Zukunftsorientierung sind stets Unsicherheiten verbunden, die in Entscheidungen eingehen und als Nachhaltigkeitsrisiken gefasst werden können. Wie mit diesen Risiken umgegangen werden kann, ist sowohl für die Wasserversorgungsunternehmen und Abwasserbetriebe als auch für die verantwortlichen kommunalen Entscheidungsträger von Interesse. Handeln unter Unsicherheit ist eine Herausforderung für die strategische und operative Steuerung. Dies gilt insbesondere für die Siedlungswasserwirtschaft aufgrund ihrer sehr langen Nutzungs- und damit Prognosezeiträume. ZIELE Ziel des Projekts NaCoSi Nachhaltigkeitscontrolling siedlungswasserwirtschaftlicher Systeme ist die Entwicklung eines Instrumentes zum Nachhaltigkeitscontrolling im Sinne eines Asset Risk Managements für die kommunale Siedlungswasserwirtschaft. Der Schwerpunkt liegt dabei in der Erörterung von Wirkungszusammenhängen zwischen den Systemelementen der Siedlungswasserwirtschaft im Hinblick auf die Ausbreitung, Pufferung oder Minimierung dieser Nachhaltigkeitsrisiken. Es werden geeignete Indikatoren bestimmt, welche die Leistungsfähigkeit des Systems beschreiben. Dadurch wird es möglich, einen Schutz gegenüber Nachhaltigkeitsrisiken aufzubauen. Potenzielle endogene und exogene Risiken können aufgefangen werden (Resilienz) und eine Anpassung an sich verändernde Rahmenbedingungen kann stattfinden. Auf diese Weise lassen sich Risikoprofile für einzelne Ver- und Entsorgungsbetriebe entwickeln, durch die vorhandene Controllinginstrumente, wie etwa das Benchmarking, ergänzt werden können. Abb. 1: NaCoSi Steuerungsinstrumente für die Siedlungswasserwirt schaft der nächsten Generationen, Foto: Philipp Benz IMPLEMENTIERUNG Das Konzept baut auf vorhandenen Controlling- und Managementkonzepten auf und orientiert sich damit an der Praxis in der Wasserwirtschaft. Eine wichtige Grundvoraussetzung für die erfolgreiche Erarbeitung einer integrierenden Nachhaltigkeitsperspektive für die Wasserversorgung und Abwasserentsorgung bildet die enge Zusammenarbeit mit den Aufgabenträgern und kommunalen Akteuren der Siedlungswasserwirtschaft. Die optimale Ausrichtung der angestrebten Projektergebnisse auf die Belange der Aufgabenträger erfolgt über die in der Kern- und Vergleichsgruppe teilnehmenden elf Partner der kommunalen Ver- und Entsorgungswirtschaft. Das Projektdesign ist so angelegt, dass das zu entwickelnde Instrument sowohl bei größeren wie kleineren, bei städtischen wie bei ländlichen Wasserversorgern und Abwasserentsorgern Anwendung finden 12

13 NaCoSi Integrierte Konzepte Abb. 2: Zusammenarbeit der 17 Partner im Projektverbund kann. Die Umsetzung und Anwendung der Ergebnisse werden an vier Pilotgebieten erprobt und demonstriert, die jeweils sehr unterschiedliche entwässerungstechnische, topografische, geologische und stadträumliche Randbedingungen aufweisen. PROJEKTPARTNER An NaCoSi sind 17 Partner beteiligt. 6 Forschungspartner» TU Darmstadt, Institut IWAR, FG Wasserversorgung und Grundwasserschutz (Projektkoordination)» aquabench GmbH, Hamburg» ISOE Institut für sozial-ökologische Forschung» TU Darmstadt, Institut IWAR, FG Stoffstrommanagement und Ressourcenwirtschaft» Universität der Bundeswehr München, Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik» Universität Leipzig, Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement 11 Praxispartner» Eigenbetrieb Stadtentwässerung Stuttgart» Entsorgungsbetriebe Konstanz» Entsorgungs- und Wirtschaftsbetrieb Landau» EWE WASSER GmbH, Cuxhaven» Kommunale Wasserwerke Leipzig» SOWAG Zittau (Ebersbach und Neugersdorf )» Stadt Pirmasens, Stadtverwaltung Tiefbauamt Stadtentwässerung» Stadtwerke Gießen AG» Verbandsgemeinde Brohltal Abwasserwerk» Verbandsgemeindewerke Winnweiler» Wirtschaftsbetrieb Mainz AöR ARBEITSSCHRITTE Zum Aufbau eines ganzheitlichen Nachhaltigkeitscontrollings als Steuerungsinstrument für die kommunale Siedlungswasserwirtschaft werden folgende Arbeitsschritte durchgeführt:» Auswertung von Controllingelementen bestehender Managementsysteme (z. B. Umweltmanagement, Qualitätsmanagement, Sicherheitsmanagement, Risikomanagement, Benchmarking) zur Nutzung von Synergien bei der Datenabfrage bei den Praxispartnern und zur Gestaltung eines eigenen Controllinginstruments» Identifizierung von Nachhaltigkeitsrisiken innerhalb des Systems der Siedlungswasserwirtschaft und Untersuchung, inwieweit deren Ausprägung quantifizierbar ist» Analyse der Wirkungszusammenhänge zwischen den Systemelementen im Hinblick auf Nachhaltigkeitsrisiken» Erfassung von Risikoprofilen für Wasserver- und Abwasserentsorgungsbetriebe, die das Schutzniveau eines siedlungswasserwirtschaftlichen Systems gegenüber Nachhaltigkeitsrisiken erfassen, bewerten und vergleichbar machen können» Implementierung einer dynamischen Komponente, welche die Leistungsfähigkeit bestehender Systeme unter Einwirkung veränderlicher Rahmenbedingungen zu bewerten hilft und dabei auch alternative Handlungsoptionen berücksichtigen kann» Identifizierung von Ansatzpunkten für Handlungsoptionen zum Umgang mit Nachhaltigkeitsrisiken in der bestehenden Infrastruktur KONTAKT TU Darmstadt Institut IWAR Fachgebiet Wasserversorgung und Grundwasserschutz Franziska-Braun-Straße Darmstadt Prof. Dr. nat. techn. Wilhelm Urban Tel.: w.urban@iwar.tu-darmstadt.de Dr. Alexander Sonnenburg Tel.: a.sonnenburg@iwar.tu-darmstadt.de Projektlaufzeit: 05/ /

14 INIS-Verbundprojekte networks 3 Potenzialabschätzung und Umsetzung wasserwirtschaftlicher Systemlösungen auf Quartiersebene in Frankfurt am Main und Hamburg HINTERGRUND Die Wasserforschung bietet heute schon neuartige Systemlösungen, um die Siedlungswasserwirtschaft an veränderte Bedingungen wie zunehmende Starkregenereignisse, steigende Energiepreise oder schrumpfende Bevölkerungszahlen anzupassen. Ob es sich um die Nutzung der im Abwasser enthaltenen Wärme, die Verwendung von Abwasser und seiner Inhaltsstoffe oder die Umnutzung von Abwassernetzen handelt diese intelligenten und oft semi- oder dezentralen Lösungen versprechen zugleich flexiblere und wirtschaftlichere Wasserinfrastrukturen. Dennoch haben sie sich in der Fläche bislang nicht durchgesetzt, denn für die Kommunen und Akteure der Siedlungswasserwirtschaft sind noch viele Fragen offen. Neue technische Lösungen verändern Stadt- und Haustechnik gleichermaßen. Was für Möglichkeiten gibt es beim Umbau hin zu einer nachhaltigen Wasserinfrastruktur? Wie wirken sich innovative Wasserinfrastruktursysteme auf den Alltag der Bewohner aus? Welche Strategien und neuen Geschäftsmodelle zeichnen sich für Kommunen bzw. die Ver- und Entsorgungswirtschaft ab? Welche Kosten ergeben sich aus neuen Koordinationserfordernissen in der Ver- und Entsorgung? Wie kommen die Akteure vor Ort zu einer umfassenden Bewertung und Auswahl der passenden Maßnahme? Diesen Fragen widmet sich networks 3.» die Aufbereitung und Verwendung von Abwasserteilströmen wie Grauwasser (häusliches Abwasser ohne Toilettenwasser) oder Niederschlagswasser» die getrennte Speicherung von verschiedenen Abwasserteilströmen und Niederschlagswasser, deren zeitversetzte Ableitung ins Kanalnetz und anschließende Behandlung» der Weiterbetrieb sehr alter Kanalnetze u.u. in veränderter Nutzung, z. B. als Schmutzwassersammler oder zur Ableitung getrennt gesammelter Abwasserteilströme Auch analysiert networks 3 vorhandene institutionelle Hemmnisse für die Realisierung neuartiger Lösungsansätze und zeigt Handlungsmöglichkeiten auf, wie siedlungswasserwirtschaftliche Akteure diese Hemmnisse überwinden können. ZIELE networks 3 möchte Kommunen und Wasserwirtschaft dabei unterstützen, wie Umsetzungsprozesse neuartiger Systemlösungen organisiert werden können. Dafür werden die Potenziale und Grenzen der intelligenten Nutzung und Umgestaltung von Wasserinfrastruktur abgeschätzt, damit Kommunen rational über die angemessene Weiterentwicklung derselben entscheiden können. In zwei Modellregionen werden auf Quartiersebene innovative Systemlösungen simuliert, bewertet und umgesetzt, um diese für die Standardanwendung vorzubereiten. Im Fokus stehen:» die Rückgewinnung von Wärme aus Abwasser/-teilströmen» das Nutzungspotenzial aus Abwasserwärme, z. B. für die Warmwasserbereitung oder Raumheizung Abb. 1: Ausschnitt aus der Planung zur Umsetzung der Wärmerückge winnung aus Abwasser und der Wiederverwendung von aufbereitetem Grauwasser in Frankfurt am Main, Quelle: ABG Frankfurt Holding 14

15 networks 3 Integrierte Konzepte Abb. 2: Ansicht des geplanten Passivhausneubaus in der Salvador-Allende-Straße (Frankfurt am Main), in dem Wärmerückgewinnung aus Abwasser und Grauwassernutzung umgesetzt werden, Quelle: ABG Frankfurt Holding IMPLEMENTIERUNG Die Auswahl der Modellgebiete konzentriert sich auf Neuplanungen von Gebäuden und Quartieren innerhalb städtischer Bestandsgebiete mit bereits vorhandener und bei der Umgestaltung zu berücksichtigender Wasserinfrastruktur. Modellregion Frankfurt am Main In der Salvador-Allende-Straße, Stadtteil Bockenheim, entsteht ein Passivhausneubau mit ca. 70 Wohnungen und einer Kindertagesstätte. Umgesetzt und erprobt werden die Wärmerückgewinnung aus dem Abwasser als Maßnahme der energetischen Optimierung des Wohnblocks sowie in der Hälfte des Gebäudes die Wiederverwendung des aufbereiteten Grauwassers für die Toilettenspülung. Daneben werden Umsetzungen für weitere Quartiere auf planerischer Ebene geprüft. Modellregion Hamburg Es werden geeignete Quartiere in der Stadt Hamburg identifiziert, auf ihre Transformationsfähigkeit hin überprüft und hinsichtlich der technischen Machbarkeit und deren Auswirkungen auf das Gesamtsystem untersucht. Dazu werden die Daten zu Wasser-, Energie- und Stoffströmen der Wasserinfrastruktursysteme erhoben, aufbereitet, modelliert und analysiert. Der Schwerpunkt liegt auf Überlegungen zum Um- und Ausbau bestehender Quartiere und der zeitlichen Abfolge. PROJEKTPARTNER An networks 3 sind sieben Partner beteiligt. 4 Forschungspartner» ISOE Institut für sozial-ökologische Forschung (Projektkoordination)» COOPERATIVE Infrastruktur und Umwelt» Deutsches Institut für Urbanistik ggmbh» Technische Universität Berlin, FG Wirtschafts- und Infrastrukturpolitik 3 Praxispartner» ABG FRANKFURT HOLDING Wohnungsbau- und Beteiligungsgesellschaft mbh» ABGnova GmbH» Hamburger Stadtentwässerung AöR ARBEITSSCHRITTE» Auswahl von Modellgebieten, Entwicklung von Systemvarianten und Stoffstromanalyse der ausgewählten Modellgebiete als Basis der vergleichenden Bewertung der Systemvarianten» Sozialempirische Untersuchungen zur Akzeptanz von Gebäuden mit innovativen Systemlösungen sowie Befragung von Nutzerinnen und Nutzern, die Erfahrungen mit solchen Innovationen haben» Szenarien und Strategien zur Umsetzung von Systeminnovationen, Entwicklung neuer Geschäftsmodelle, Untersuchung des Rechtsrahmens, Analyse von Koordinationsproblemen bei sektorübergreifender Optimierung» Integrierte Bewertung und Auswahl von Maßnahmen für die gewählten Modellgebiete» Vorbereitung und teilweise auch Umsetzung der ausgewählten Maßnahmen in den Modellgebieten» Ergebnistransfer KONTAKT ISOE Institut für sozial-ökologische Forschung Hamburger Allee Frankfurt am Main Dr.-Ing. Jörg Felmeden Tel.: felmeden@isoe.de Dr.-Ing. Martina Winker Tel.: winker@isoe.de Projektlaufzeit: 05/ /

16 INIS-Verbundprojekte SinOptiKom Sektorübergreifende Prozessoptimierung in der Transformation kommunaler Infrastrukturen im ländlichen Raum HINTERGRUND In vielen ländlichen Regionen wird durch den Bevölkerungsrückgang und die Überalterung der verbleibenden, wirtschaftlich schwachen Dorfbevölkerung der nachhaltige Betrieb und Erhalt bestehender Ver- und Entsorgungsinfrastrukturen zunehmend in Frage gestellt. Insbesondere für Wasserver- und Abwasserentsorgung müssen flexible und sozialverträglich finanzierbare Systemlösungen gefunden und umgesetzt werden. Diese sollen sowohl die differenzierten Gegebenheiten und Veränderungen der Siedlungsstruktur berücksichtigen, als auch in andere Infrastrukturen integrierbar sein, die ebenfalls der Anpassung unterworfen sind (z. B. Energieversorgung, Abfallentsorgung). ZIELE Zentrales Element des Verbundvorhabens ist die Entwicklung eines innovativen softwaregestützten Optimierungs- und Entscheidungssystems zur Bewältigung und Umsetzung einer langfristigen Transformation bestehender Infrastruktursysteme der Ver- und Entsorgung ( Wasser, Abwasser, Energie) im ländlichen Raum. Es werden zukünftige, intelligente Systemstrukturen entwickelt und optimierte Strategien zur planerischen, technischen sowie kommunal- und finanzpolitischen Umsetzung in ihrer konkreten zeitlichen Abfolge abgeleitet. Zur Anwendung kommen neben Methoden des Daten- und Wissensmanagements sowie der Prozessanalyse und -simulation innovative Optimierungsmethoden, Software Engineering und interaktive Visualisierungstechniken. Hierdurch können die komplexen Entscheidungsstrukturen und vielfältigen Einflussfaktoren intuitiv erfasst werden. Die umfassende Beurteilung wird erleichtert und der Entscheidungsvollzug transparent gemacht. Mit der Umsetzung in einen praxisorientierten Demonstrator wird ein innovatives und interaktives Planungsinstrument entwickelt. Es soll einen Beitrag zu Weiterentwicklung kommunaler Infrastrukturen liefern, um diese zukunftsfähig, betriebssicher sowie ökologisch und ökonomisch effzient zu gestalten. Das Optimierungs- und Entscheidungsmodell wird an ausgewählten Beispielgemeinden der kommunalen Partner mit unterschiedlichen Zielsetzungen und Rahmenbedingungen angewendet, evaluiert und hinsichtlich seiner Übertragbarkeit bewertet. IMPLEMENTIERUNG Es werden exemplarisch zwei Verbandsgemeinden im ländlichen Raum in Rheinland-Pfalz betrachtet. Sie unterscheiden sich deutlich in der Anzahl der zugehörigen Ortsgemeinden und Aussiedlerhöfe sowie Annexe und damit dem Polarisierungsgrad der Siedlungsstruktur. Abb. 1: Struktur und Inhalte des Entscheidungs- und Optimierungsmodells Modellgebiet Rockenhausen (Donnersbergkreis) Eine Verbandsgemeinde mit Einwohnern und einer Flächenausdehnung von 140 km². Neben der Stadt Rockenhausen 16

17 SinOptiKom Integrierte Konzepte Abb. 2: Impressionen aus den Modellgemeinden, Fotos: Verbandsgemeinden Rockenhausen und Enkenbach-Alsenborn (5.400 Einwohner) gehören 19 Ortsgemeinden sowie 40 Annexe und Aussiedlerhöfe zur Verbandsgemeinde. Es gibt eine Grup penkläranlage in Rockenhausen und sechs Pflanzenkläranlagen. Viele Gemeinden sind sehr stark vom Bevölkerungsrückgang und der Überalterung betroffen und die bestehenden Ver- und Entsorgungssysteme sind nicht mehr zukunftsfähig. Die notwen digen Schritte in der Transformation der bestehenden kostenin tensiven Strukturen sollen nachhaltig gestaltet werden. Modellgebiet Enkenbach-Alsenborn (Landkreis Kaiserslautern) Eine Verbandsgemeinde mit Einwohnern und einer Flä che von 64 km². Der Gemeinde gehören vier eigenständige Ortsgemeinden an. Es gibt eine Gruppenkläranlage, in der der Großteil des in der Verbandsgemeinde anfallenden Abwassers gereinigt wird. Es werden Synergien zur Nutzung des Energieund Ressourcenpotenzials aus Abwasser gesucht und daher Sys temumgestaltungen erforderlich. Die in der Verbandsgemeinde anstehenden Investitionen zur Sanierung und zum Erhalt der be stehenden Ver- und Entsorgungsanlagen sollen im Hinblick auf zukünftige Systemgestaltungen optimiert getätigt werden.» Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering (IESE)» TU Kaiserslautern, AG Computergrafik und HCI» TU Kaiserslautern, AG Optimierung» TU Kaiserslautern, Lehrstuhl Stadtplanung 5 Praxispartner» FIRU mbh Forschungs- und Informations-Gesellschaft für Fach- und Rechtsfragen der Raum- und Umweltplanung» igr AG» Mittelrheinische Treuhand GmbH» Verbandsgemeinde Enkenbach-Alsenborn» Verbandsgemeinde Rockenhausen ARBEITSSCHRITTE Zur Realisierung der Projektziele werden vier ineinandergreifende Arbeitspakete mit jeweils interdisziplinärer Bearbeitung gebildet. Die Forschungspartner sind in allen Arbeitsschritten mit ihrer jeweiligen Ausrichtung eingebunden. Während die kommunalen Partner maßgeblich bei der Datenaufbereitung und Anwendung des Demonstrators beteiligt sind, bringen sich die Planungs- und Beratungsunternehmen zusätzlich in die Modellkonzeption und Evaluierung ein. Das rheinland-pfälzische Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft, Ernährung, Weinbau und Forsten sowie der Gemeinde- und Städtebund unterstützen das Vorhaben u. a. durch die Bereitstellung benötigter Daten und den fachlichen Gedankenaustausch. KONTAKT Abb. 3: Struktur des Verbundprojektes SinOptiKom PROJEKTPARTNER An SinOptiKom sind zehn Partner beteiligt. 5 Forschungspartner» TU Kaiserslautern, FG Siedlungswasserwirtschaft (Projektkoordination) TU Kaiserslautern Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft Paul-Ehrlich-Straße Kaiserslautern Prof. Dr.-Ing. T. G. Schmitt Tel.: theo.schmitt@bauing.uni-kl.de Projektlaufzeit: 05/ /

18 INIS-Verbundprojekte TWIST++ Transitionswege Wasserinfrastruktursysteme Anpassung an neue Herausforderungen im städtischen und ländlichen Raum HINTERGRUND Die Anpassung von Wasserinfrastrukturen an kommende Herausforderungen ist unvermeidbar, doch das Verständnis für die Abhängigkeiten und Wechselwirkungen ist bei vielen Entscheidern noch nicht vorhanden. Im Rahmen des Forschungsverbundprojekts TWIST++ werden von einem großen Projektverbund unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung ISI neue Konzepte, ein Planungsunterstützungssystem und ein Serious Game entwickelt. Die Planungstools beseitigen ein großes Hemmnis, da sie die Berücksichtigung innovativer und integrierter Infrastrukturkonzepte bei Umbau- und Erneuerungsplanungen erlauben. Als zusätzliches Tool wird ein sogenanntes Serious Game einen intuitiven Zugang zum Kennenlernen und Verstehen innovativer und integrierter Infrastrukturkonzepte bieten. Mit dem Spiel sollen die Abhängigkeiten und Wechselwirkungen der komplexen Systeme spielerisch und auf leicht verständliche Art erklärt werden. Planungsunterstützungssystem und Serious Game liefern einen wichtigen Beitrag, um die neuen Systemkonzepte nachhaltig zu etablieren. ZIELE Das Ziel von TWIST++ ist die Weiterentwicklung von integrierten Konzepten für Wasserversorgungs- und Abwasserentsorgungssysteme. Die zunehmenden Kopplungsmöglichkeiten und der ähnliche Handlungsdruck erfordern eine integrierte Betrachtung der Wasserversorgung und Abwasserentsorgung sowie angrenzender Sektoren. Verschiedene technische Teilkomponenten, beispielsweise Energie- und Nährstoffrückgewinnung und selbstreinigende Trinkwasser-Teilnetze, sowie Ansätze zum Umgang mit Indirekteinleitern und Löschwasser werden weiterentwickelt und in Gesamtkonzepte integriert. Ein langer Planungshorizont erfordert die Einbeziehung der künftigen Entwicklungen wichtiger Randbedingungen wie Demografie und Klima. Neben der technischen, ökonomischen und ökologischen Leistungsfähigkeit sind auch die Flexibilität und Resilienz des Systems wichtige Faktoren für die Bewertung und Optimierung von Wasserinfrastrukturen. Die erarbeiteten Konzepte werden anhand konkreter Planungsvarianten für drei Modellgebiete verifiziert. Dazu gehört auch die Identifizierung von Treibern und Hemmnissen für die Umsetzung der Konzepte sowie die erforderlichen institutionellen Rahmenbedingungen. Die drei ausgewählten Modellgebiete weisen Randbedingungen auf, die für viele Orte in Deutschland repräsentativ sind. Dies begünstigt die Übertragbarkeit und somit weitergehende Nutzung der Ergebnisse. Ein großes Hemmnis für die Umsetzung ist, dass vorhandene Planungswerkzeuge innovative, umfassende Systemlösungen nicht abbilden können. Deshalb wird in TWIST++ ein neuartiges Planungsunterstützungssystem entwickelt, das die Planung und Bewertung innovativer Systeme für konkrete Einsatzbedingungen ermöglicht. So können innovative Infrastrukturkonzepte bei Umbau- und Erneuerungsplanung berücksichtigt werden, was eine wichtige Voraussetzung für eine breite Umsetzung ist. Parallel dazu wird ein Simulationsspiel (Serious Game) entwickelt, das auch Nicht-Experten einen intuitiven Zugang zum Kennenlernen und Verstehen der interdisziplinären Zusammenhänge und Wechselwirkungen erlaubt. Das spielbasierte Planen erleichtert den Zugang zu alternativen Infrastrukturlösungen und macht die unterschiedlichen möglichen Szenarien begreifbar und anschaulich. Die wichtigsten Ergebnisse von TWIST++ sind neue integrierte Konzepte mit weiterentwickelten technischen Komponenten und ein Bewertungssystem, das die Auswirkungen von Veränderungen der Randbedingungen während der langen Lebensdauer der Wasserinfrastrukturen abbildet. Die Software- Produkte von TWIST++, das Planungsunterstützungssystem für Ingenieure und das Simulationsspiel für Nicht-Experten, sollen die breite Umsetzung der Konzepte unterstützen. MODELLGEBIETE Die drei Modellgebiete zeichnen sich durch unterschiedliche Rahmenbedingungen aus. Hierdurch wird ein weites Spektrum möglicher Transitionsräume abgedeckt und der Grundstein für die Übertragbarkeit in andere Regionen gelegt. Modellgebiet Lünen (Nordrhein-Westfalen) Städtischer Raum mit Gewerbe und Industrie ( Einwohner) mit kontinuierlichem Bevölkerungsrückgang und sinkendem Trinkwasserbedarf. Die Abwasserteilnetze sind räumlich getrennt und teilweise überschwemmungs- bzw. überflutungsgefährdet. 18

19 T WIST++ Integrierte Konzepte PROJEKTPARTNER An TWIST++ sind 14 Institutionen beteiligt. Das hessische Mi nisterium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucher schutz (HMUELV ) engagiert sich als assoziierter Projektpartner. 4 Forschungspartner» Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) (Projektkoordination)» Bauhaus-Universität Weimar (unterstützende Projektkoordi nation) (BUW)» IWW Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasserforschung ggmbh (IWW)» Universität Stuttgart (UniS) 10 Praxispartner» Abwasserzweckverband Nordkreis Weimar» CURRENTA GmbH& Co. OHG» DWA e.v.» HST Systemtechnik GmbH & Co. KG» RAG Montan Immobilien GmbH» Stadtbetrieb Abwasserbeseitigung Lünen AöR» takomat GmbH» tandler.com Ges. für Umweltinformatik mbh» Wupperverband KöR» 3S Consult GmbH Abb. 1: Simulationsspiel (Serious Game) 2013 takomat GmbH AUFGABENTEILUNG Im Folgenden sind die einzelnen Aufgaben und die jeweiligen Koordinatoren aufgezählt:» Randbedingungen und Planungsgrundlagen für die 3 Mo dellgebiete (IWW, ISI)» Technologieentwicklung, Innovationen, Konzepte (UniS)» Entwicklung und Anwendung eines multikriteriellen Bewer tungsverfahrens (BUW)» Entwicklung PUS/Serious Game (BUW)» Demonstration von Systeminnovationen (ISI)» Rahmen und Übertragbarkeit (IWW) Modellgebiet Wohlsborn-Rohrbach ( Thüringen) Zwei Dörfer im ländlichen Raum mit ebenfalls sinkenden Bevöl kerungszahlen: Wohlsborn hat 500 Einwohner, Rohrbach 200. Der Trinkwasserbedarf ist sehr niedrig. In beiden Orten gibt es überwiegend sanierungsbedürftige Teilortskanäle, die nur teilweise an eine Kläranlage angeschlossen sind. Modellgebiet Zeche Lippe-Westerhold (NRW) Die Erschließungs- und Konversionsfläche einer ehemaligen Ze che. Das Gebiet ist 32 ha groß und grenzt an ein Wohngebiet. Die bestehende Kanalisation ist alt und überdimensioniert. Trinkwas serversorgung und Abwasserentsorgung müssen neu konzipiert werden. KONTAKT Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) Breslauer Straße Karlsruhe Dr.-Ing. Thomas Hillenbrand Tel.: thomas.hillenbrand@isi.fraunhofer.de Projektlaufzeit: 06/ /

20 INIS-Verbundprojekte EDIT Inline-Monitoring wasserbürtiger Pathogene Entwicklung und Implementierung eines Anreicherungs- und Detektionssystems für das Inline-Monitoring von wasserbürtigen Pathogenen in Trink- und Rohwasser HINTERGRUND Ein vergleichsweise hohes Alter der Infrastrukturen sowie Veränderungen außerhalb des Wassersektors (wie der Klimawandel und soziodemografische Veränderungen) stellen die kommunalen Wasserversorgungsunternehmen in Deutschland vor zunehmende Herausforderungen. Diese betreffen auch den Aspekt der Wasserhygiene, wobei bislang zuverlässige, stationär und mobil einsetzbare Schnelldetektions- und -warnsysteme für mikrobiologische Wasserverunreinigungen fehlen. Heutige Monitoringsysteme, die typischerweise auf dem Nachweis bakterieller Indikatorkeime durch Erregeranzucht im Labor beruhen, sind für eine zeitnahe Alarmierung wie auch ein kontinuierliches Monitoring nur bedingt geeignet. An dieser Stelle setzt EDIT mit der Entwicklung, Erprobung und vorbereitenden Implementierung eines Schnelldetektionssystems für wasserbürtige Pathogene an. Berücksichtigung sollen dabei auch Viren finden, da hohe Ausscheidungsmengen im Stuhl, niedrige Infektionsdosen und eine hohe Umweltstabilität enteral replizierender Viren deren Verbreitung über Trinkwasser und mit Trinkwasser hergestellten Lebensmitteln begünstigen. Ankonzentrierungs- und Detektionssystem (Abb. 1) und dessen Integration in gängige Wassermonitoringsysteme für die Hygi eneüberwachung von Roh- und Trinkwasser mit zukünftigem Anwendungspotenzial in weiteren Einsatzfeldern. Wesentliches technisches Innovationsmerkmal ist ein automatisierter Arbeits ablauf, der durch die Entwicklung und optimale Abstimmung verschiedener Komponenten (Subsysteme für Ankonzentration, Extraktion und Detektion) erreicht wird. Die Validierung des Ge samtsystems, das am Ende der Entwicklung stehen soll, erfolgt sowohl unter kontrollierten Versuchsbedingungen im Labor und einer Teststrecke wie auch im Praxiseinsatz bei Endanwendern in der Wasserwirtschaft. Die technische Systementwicklung wird ergänzt durch Analysen der sich wandelnden klimatischen, hy drologischen und gesellschaftlichen Rahmenbedingungen und deren Auswirkungen auf die Wasserwirtschaft und -hygiene. Die Arbeitsergebnisse werden als Systemlösung in einem an aktuelle Bedürfnisse angepassten und auf zukünftige Herausforderun gen ausgerichteten Hygiene-Online-Monitoring-System (HOLM) zusammengeführt. Für dieses werden sehr gute nationale und internationale Vermarktungschancen erwartet; zudem bietet es innovative Einsatzmöglichkeiten im Forschungsbereich. Abb. 1: Lab-on-chip-System für die Erreger-Extraktion, Fotomontage: Johannes Otto ZIELE Das Projekt EDIT zielt auf die Entwicklung einer innovativen systemtechnischen Lösung für das Inline-Monitoring von was serbürtigen Pathogenen, bestehend aus einem automatisierten IMPLEMENTIERUNG Die Erprobung des Systems erfolgt sowohl unter kontrollierten Bedingungen als auch im Realeinsatz. Systemerprobungen auf der Trinkwasserteststrecke der Berliner Wasserbetriebe (BWB) sowie im Rahmen der Untersuchung unterschiedlich aufbereiteter Rohwässer durch das Technologiezentrum Wasser ( TZW ) dienen der Testung unter definierbaren Bedingungen. Darüber hinaus ist seitens der BWB ein operatives Rohwassermonitoring sowie im Unterauftrag an die Trinkwasser Magdeburg GmbH (TWM) ein Einsatz zur Überprüfung kontaminationsanfälliger Wasserhochbehälter vorgesehen. PROJEKTPARTNER An EDIT sind acht Institutionen beteiligt. Darüber hinaus engagieren sich die Trinkwasser Magdeburg GmbH ( TWM), die Stadtwerke Marburg GmbH (SWMR), die Badenova AG & Co KG sowie die Stadtwerke Waldkirch GmbH als assoziierte Projektpartner. 20

21 EDIT Wasserversorgung» Extraktionssystem: Probenweitergabe von der Ankonzentrie rung zur Nukleinsäureaufreinigung und eine Übergabe zur Detektion» Detektion: Vergleich Multiplex-RPA vs. Multiplex-PCR» Erkennung der Lebendkeimzahl: Entwicklung einer integrier ten und automatisierten nukleinsäure-basierten Methode zur Lebend/Tot-Unterscheidung von Bakterien Implementierung; Erprobung und Evaluierung des HOLM-Sys tems (PL: FhAST/BWB)» Automatisierung des Workflows und Anpassung des Systems an die Bedürfnisse von Endanwendern» Wissenschaftliche Evaluierung durch Vergleichstests mit etab lierten Referenzverfahren» Praxiserprobung auf der Teststrecke der Berliner Wasserbetriebe sowie bei assoziierten Partnern Abb. 2: Demografischer Wandel in Magdeburg, Foto: Daniel Karthe Begleitforschung Synthese, Koordination und Öffentlichkeits arbeit (PL: UFZ)» Begleitstudie zu den Auswirkungen von Klimawandel und de mografischem Wandel im Hinblick auf die Trinkwasserhygiene in Deutschland» Ergebnisintegration und -publikation» Bereitstellung von Materialien für die Öffentlichkeitsarbeit 5 Forschungspartner» Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) (Projektkoordination)» Albert-Ludwigs-Universität Freiburg (IMTEK)» DVGW Technologiezentrum Wasser ( TZW )» Fraunhofer-Anwendungszentrum für Systemtechnik (FhAST )» Technische Universität München (TUM) 3 Praxispartner» Berliner Wasserbetriebe (BWB)» GWK Präzisionstechnik GmbH München» R-Biopharm AG ARBEITSSCHRITTE Der Lösungsweg setzt sich aus drei Arbeitsschwerpunkten zu sammen: Modulare Komponentenentwicklung und Aufbau des HOLM- Systems (PL: TUM/IMTEK)» Ankonzentrationssystem: Kombinierung einer Makroanrei cherung (kontinuierliche Ultrafiltration und monolithische Affnitätsfiltration) mit einer Mikroanreicherung (auf Lab-onchip-System) KONTAKT Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) Department Aquatische Ökosystemanalyse und Management Brückstraße 3a Magdeburg Dr. Daniel Karthe Tel.: daniel.karthe@ufz.de Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) Georges-Köhler -Allee Freiburg Dr. Gregory Dame Tel.: dame@imtek.de Projektlaufzeit: 06/ /

22 INIS-Verbundprojekte NAWAK Nachhaltige Anpassungsstrategien Entwicklung nachhaltiger Anpassungsstrategien für die Infrastrukturen der Wasserwirtschaft unter den Bedingungen des klimatischen und demografischen Wandels HINTERGRUND Um die in Zukunft anstehenden Investitionen in die zentrale Wasserversorgungsinfrastruktur gestalten zu können, ist eine intensive Auseinandersetzung mit den durch den klimatischen und demografischen Wandel ausgelösten Veränderungen not wendig. So sind ein Anstieg des Meeresspiegels mit einem dar aus resultierenden Vordringen von Salzwasser in die Aquifere an den deutschen Küsten, eine Veränderung der Wasserführung der Flüsse und eine veränderte Niederschlagsverteilung wahrschein liche Auswirkungen auf der Angebotsseite der Wasserwirtschaft. Auf der Nachfrageseite ist mit deutlich erhöhten Spitzen lastfällen im Sommer, z. B. durch verstärkten Tourismus an der Küste sowie einen verstärkten Bedarf von Beregnungswasser in der Landwirtschaft und Kühlwasser in der Industrie, zu rechnen. Der demografische Wandel in Form eines prognostizierten Rück gangs der Bevölkerungszahlen in Deutschland wird diese Effekte in vielen Regionen nachfrageseitig durch eine Verringerung der Grundlast beeinflussen. mittelfristig nicht mehr nachhaltig genutzt werden kann. Als zweite Modellregion soll die Wasserversorgung im Elbe Weser-Dreieck am Beispiel der Wasserversorgungen im Stader Land ( TWV Stader Land) und im Land Hadeln ( WVV Land Hadeln) untersucht werden. Hier sind die Wasserwerke am Rande der Elbtalaue insbesondere vom Ausbau der Elbefahrrinne, dem nachfolgenden Vordringen des Salzwassers und möglichen Salzwassereinbrüchen in die genutzten Aquifere betroffen. Die dritte Modellregion ist das Versorgungsgebiet der Heidewasser GmbH in Sachsen-Anhalt. Diese Region wird bereits heute intensiv durch den demografischen Wandel geprägt. Der Bevölkerungsrückgang hat massive Auswirkungen auf die wasserwirtschaftliche Infrastruktur. ZIELE Ziel des Vorhabens ist es, bereits eingetretene und in der Zukunft zu erwartende Beeinträchtigungen auf der Angebots- und Nachfrageseite der Wasserversorgung aufzuzeigen und durch die Ableitung von Szenarien den Einfluss des Klimawandels und der demografischen Entwicklung auf die Wasserversorgung in ausgesuchten Modellregionen zu untersuchen. Basierend auf diesen Untersuchungen werden für jede Modellregion individuelle Anpassungsstrategien für die Wasserversorgung entwickelt, die zukunftsorientiertes Handeln ermöglichen. IMPLEMENTIERUNG Als Modellregion für das Vordringen der Süß-/Salzwassergrenze an der Nordseeküste (Abb. 1) wird insbesondere das Einzugsgebiet des Wasserwerkes Sandelermöns des Oldenburgisch-Ostfriesischen Wasserverbandes (OOWV ) bei Wilhelmshaven analysiert, da in dieser Region bei einem weiteren Vordringen der Süß-/Salzwassergrenze die vorhandene Struktur der Wasserversorgung Abb. 1: Situation der Versalzung der Grundwasserleiter mit Wassereinzugsgebieten der Trinkwassergewinnungsanlagen (rot), teilweise versalztem (braun XX) und vollständig versalztem Grundwasserleiter (orange ///), Quelle: OOWV 22